熔融还原热风炉设计

赵良伟

（唐钢国际工程技术有限公司）

0 引言

在“碳达峰”和“碳中和”的背景下，低碳炼铁技术得到迅速发展，特别是以短流程为主的非高炉炼铁工艺，为低碳炼铁提供了新的发展思路。“绿色钢铁”是世界钢铁工业发展的共同选择与发展方向，是钢铁工业生存和发展的共同需要[1]。热风炉的设计指导思想是提高热风炉热效率、降低燃料消耗、提高热风温度[2]，热风炉为还原炉提供热风的属性和工作原理同样适用于非高炉炼铁。熔融还原炼铁工艺采用顶燃式热风炉，在热风炉燃烧期，通过燃烧煤气产生的高温烟气，将蓄热室中的格子砖加热，储存热量；送风期，储存在格子砖中的热量将冷风加热，持续向熔融还原炉提供高风温。

1 熔融还原工艺介绍

相对于传统长流程高炉炼铁工艺，熔融还原主要特点是短流程炼铁工艺，工序上游不需要配置焦化以及完备的铁矿石造块工序，矿石在还原炉内高温熔融状态下进行还原，产品是热态铁水，直接供给炼钢车间。熔融还原炼铁工艺可以直接使用粉矿，省去烧结、球团工艺，从而摆脱了对焦煤-焦炭的依赖，直接使用非焦煤，减少了二氧化碳及污染物排放，环保成本低。熔融还原炉如图1所示。

图1 熔融还原炉

2 熔融还原炉热风炉配置

熔融还原炉配套3座顶式燃热风炉，送风制度为两烧一送[3]。蓄热室采用19孔Φ25 mm高效格

联系人：赵良伟，助理工程师，河北.唐山（063000），唐钢国际工程技术有限公司炼铁事业部； 收稿日期：2021-12-10子砖，热风炉正常工作时，燃料为熔融还原炉煤气；启炉、烘炉时，燃料为焦炉煤气，并配套相关管道路由及控制系统。设有助燃空气热管式预热装置，两台助燃风机集中送风，1用1备。设计采用计算机自动燃烧控制、送风温度控制及换炉控制等。热风炉系统主要设计参数见表1。

表1 热风炉系统主要设计参数

3 热风炉耐火材料设计

3.1 热风炉本体

热风炉拱顶与大墙砌体分开，形成各自独立的结构，炉墙可独立胀缩，稳定热风炉本体结构，延长热风炉耐材使用寿命。每座热风炉上部设1个陶瓷燃烧器和2个启动燃烧器。蓄热室采用Φ25 mm孔径格子砖，分三段砌筑，上段为高品质低蠕变高铝质，中段为低蠕变高铝质，下段为低蠕变粘土质。格子砖外形带有卡槽，使蓄热室内格子砖的位置相对稳定。热风炉炉衬在高温区采用高品质低蠕变高铝砖，中温及低温区采用低蠕变高铝砖及低蠕变粘土砖；隔热材料为轻质高铝砖、轻质粘土砖、耐火纤维毡；炉壳设有喷涂料。

3.2 热风管道及其他管道

热风管道工作层为红柱石砖，隔热层为轻质高铝砖、轻质粘土砖和喷涂料。废烟气管道内喷涂中重质喷涂料。冷风管道、熔融还原炉煤气和预热后的助燃空气管道采用外保温，保温材料为岩棉毡（外敷镀锌铁皮进行固定）。

4 热风炉主要设备

4.1 阀门

熔融还原工艺热风炉系统各主要阀门形式基本为液压传动。除热风阀、倒流休风阀、混风阀采用带衬水冷闸阀外，其余均为液动（或电动）密封闸阀、蝶阀[4]。热风炉各主要阀门规格见表2。

表2 热风炉系统主要阀门规格

4.3 液压系统及干油润滑系统

热风炉液压系统泵站为热风炉区域的各种液压阀门提供液压动力源，主要包括热风阀、冷风阀、倒流休风阀、烟道阀、熔融还原炉煤气燃烧阀及切断阀、助燃空气燃烧阀、混风切断阀等。液压站布置在热风炉框架附近，站内设有通风及消防设施。

4.4 检修设施

热风炉框架顶部设电动桥式起重机1台，起重量10 t，主要承担热风阀、倒流休风阀助燃空气燃烧阀及熔融还原炉煤气燃烧系统阀门的检修任务。

热风炉框架中部设电动葫芦1台，起重量10 t，用于检修烟道阀、冷风阀等热风炉本体下部阀门。

5 热风炉系统与传统高炉设计区别

5.1 鼓风压力

熔融还原炉矿石及煤粉用喷枪从还原炉中下部直接喷人炉内，没有料柱形成的阻力损失，因此相较于传统高炉炼铁工艺，熔融还原炉所需的热风炉鼓风压力为170 kPa，仅为传统高炉的一半左右，降低了鼓风能耗。

5.2 送风温度

熔融还原炉所产生的煤气热值约为680 kCal/Nm3，略低于传统高炉煤气热720 kCal/Nm3，根据燃烧计算，单烧熔融还原炉煤气理论燃烧温度为1 300 ℃，因此送风温度按1 100 ℃设计（常规高炉热风炉送风温度为1 200 ℃）。

5.3 蓄热室耐材

考虑到熔融还原工艺处于起步阶段，生产连续性没有高炉稳定，导致熔融还原炉热风炉停炉、启炉的频率要高于常规高炉设计，而传统高炉热风炉，高温区采用硅砖[5]，不能适应停炉、启炉频率高的工况，硅质砖热风炉需保证热风炉拱顶温度保持在硅质砖临界温度点以上[6]，尤其是低于600 ℃时，硅砖内部结构发生变化，导致耐材失效，因此熔融还原系统热风炉蓄热式上部耐材的设计采用高品质高铝砖代替硅砖。

5.4 热风喷枪

熔融还原炉热风用热风喷枪从还原炉顶部送人到还原炉内，类似于转炉炼钢的吹炼方式，而传统高炉热风经热风围管送入到高炉风口，进而进入高炉本体进行冶炼。熔融还原炉没有热风围管的设计，热风主管经竖管后，热风管道向上提升（传统高炉设计中，热风主管经竖管后向下降低），热风主管末端通过法兰与热风喷枪相连接。

5.5 换热器形式

热风炉板式预热器采用传热板片替代传统热管或管子传热元件，板式换热器烟气和空气、煤气通过波纹板片换热，冷热流体通过板片传热，传热距离短，而且由于传热板片沿流体流动方向的通道断面形状不断呈波浪形变化，显著加强了流体的扰动，从而强化了流体的传热性能，能够有效回收热风炉废烟气中的热量，降低煤气消耗量。一般来讲，空气温度每提高100 ℃，风温可以提高35 ℃；煤气温度每提高100 ℃，风温可以提高50 ℃。采用板式换热器空、煤气换热后温度可达200 ℃以上，提高风温可以降低炼铁焦比、提高冶炼强度，实现热风炉绿色节能。

6 结语

乌海某钢铁企业通熔融还原项目的顺利投产，为低碳炼铁提供了新的发展思路，具有里程碑式的意义。随着炼铁技术的发展，氢冶金将成为未来发展的趋势，而熔融还原炼铁技术为氢冶金提供了更有利的工艺条件，有望真正从源头上降低碳排放，实现炼铁工艺的绿色可持续发展。